间壁式筛网网格换热器的性能及其分析

间壁式筛网网格换热器的性能及其分析
                    张侨禹１，２，赵红利２，侯予１，２
（１．西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，７１００４９，西安；２．西安交通大学能源与动力工程学院，７１００４９，西安）
    摘要：为揭示间壁式筛网网格换热器中网片与隔热片厚度比对换热器效率的影响规律，在数值计算中引入了间壁热阻和隔热片导热系数，改进了传统间壁式网格换热器的数值计算方法．通过与传统计算方法对比，发现改进方法使间壁式网格换热器计算更加精确并更体现其结构特点．利用改进的方法对换热器进行性能分析，得到了换热器效率及其内部温度分布特性．结果显示，隔热片与网片厚度的选取对换热器性能具有明显的影响，当隔热片厚度为０．２ｍｍ及网片与隔热片的厚度比为４∶１时，相同长度下的换热器性能达到最优．
    关键词：网格换热器；金属筛网；低温制冷机；数值模拟
    中图分类号：ＴＫ１７２　文献标志码：Ａ　文章编号：０２５３－９８７Ｘ（２０１２）０１－００２４－０６
    间壁式金属网格换热器是２０世纪５０年代出现的一种高效紧凑的小型低温换热器．金属网格换热器由高导热系数的铜丝网片和低导热系数的不锈钢隔热片错层叠置，并经一定方法（钎焊、胶粘、扩散焊等）连接而形成［１］，基本结构如图１所示．网片和隔热片堆叠形成密封的流体通道，分别为内圆形通道（内通道）和外环形通道（外通道），两通道之间的隔环部分为换热间壁．网格换热器不仅充分发挥了每一网片的径向传热性能，也最大程度阻止了轴向导热［２］，具有高效、紧凑、轻巧的特点，是适用于空间逆布雷顿制冷机的间壁式换热器的理想选择之一．

    关于此种网格换热器，Ｎｅｌｌｉｓ［２－８］等均进行了相关研究，主要集中于采用密集叠合理论和ε－ＮＴＵ理论针对回热器的理论分析．空间制冷机系统所采用的换热器须同时兼顾效率、尺寸与质量，数量或厚度不合理的隔热片会影响换热器的效率和尺寸，因此在相同换热器尺寸下，研究最优换热器性能时隔热片与网片的结构尺寸是十分必要的．当将网片加厚时，必须考虑厚网片及隔热片的轴向导热影响，但现有换热器数值计算方法通常忽略间壁厚度及隔热片导热系数［２－３，９］．因此，本文对已有数值计算方法进行改进，引入了间壁厚度及隔热片导热系数，使其适用于厚网片及隔热片与铜丝网非均匀排列时的换热器模型；通过数值模拟计算得到换热器内部的温度场并与传统计算方法进行对比研究；对换热器进行性能分析，研究了相同换热器尺寸下，隔热片及网片尺寸变化与换热器效率的关系，并求得最优解．本文研究的紧凑式低温网格间壁式换热器采用Ｈ６２细目铜丝网作为传热单元，０Ｃｒ１８Ｎｉ９不锈钢片作隔热材料，其结构参数见表１．
             
    １·数值模拟网格换热器横截面为对称结构（见图１），取网格换热器横截面的一半为研究对象，冷流体在内通道流动，热流体在外通道流动．图２为模型的控制单元及网格划分，沿ｘ方向将换热器分为ｎ个离散单元，取一个网片（隔热片）的冷热通道及其间壁为一个离散单元总体．如图３所示，模型的控制单元分别为热通道控制单元、间壁热侧控制单元、间壁中心控制单元、间壁冷侧控制单元和冷通道控制单元．

    Δｘｉ为第ｉ个离散单元沿ｘ方向的步长，长度为该单元网片或隔热片厚度．Δｙｉ为第ｉ个离散单元沿ｙ方向的步长，因为间壁尺寸在ｘ方向上没有变化，省略下标ｉ，Δｙ＝Ｌｙ／２．间壁热侧控制单元、间壁中心控制单元及间壁冷侧控制单元沿ｙ方向的长度分别为Δｙｍｈ、Δｙｍ及ｙｍｃ，２Δｙｍｈ＝Δｙｍ＝２Δｙｍｃ＝Ｌｙ／２．Ｌｙ为间壁总长度，Ｌｘ为换热器芯体长度．
    热通道控制单元、间壁热侧控制单元、间壁中心控制单元、间壁冷侧控制单元及冷通道控制单元的热量流动见图３，热平衡方程如下：
           
           
    式中：Ｃｈ，ｉ（Ｃｃ，ｉ）为第ｉ个热（冷）通道单元的热容率；αｈ，ｉ（αｃ，ｉ）为第ｉ个热（冷）通道单元与间壁的对流传热系数；ηｆｈ，ｉ（ηｆｃ，ｉ）为第ｉ个热（冷）通道单元的相对翅片效率；Ａ′ｈ，ｉ（Ａ′ｃ，ｉ）为第ｉ个热（冷）通道单元的单位长度换热面积；λｍ，ｉ为第ｉ个间壁单元的导热系数；Ａ′ｍｙ，ｉ为第ｉ个间壁单元在ｙ方向的单位长度换热面积；Ａ′ｍｘ，ｉ为第ｉ个间壁单元在ｘ方向的单位长度换热面积．
    运用Ｋｒｏｅｇｅｒ［１０］的方法对方程进行归一化．归一化温度θ，长度Ｘ、Ｙ，单元长度ΔＸ、ΔＹ，热冷流体热容μ、ν，间壁轴向导热系数Λｘ，间壁纵向导热系数Λｙ，热冷流体换热系数βｈ、βｃ分别定义为：
            
            
    忽略漏热和重力影响，热单元上边界及冷单元下边界为绝热边界条件；冷热流体进口归一化温度分别为０、１（见方程（１６））；间壁冷热两端边界条件采用绝热边界条件（见方程（１７））
            
    方程组（１１）～（１７）共有５ｎ＋８个未知温度和５ｎ＋８个互不相关的方程，因此有唯一组解．对其进行迭代运算，结果为换热器内部冷热通道及间壁的温度场，从而可求得换热器效率．
    ２　结果与分析
    本文计算模型选取冷热流体工质Ｈｅ，平衡流，冷流体进口温度１００Ｋ，进口压力１００ｋＰａ，在内通道流动，热流体进口温度２５０Ｋ，进口压力２００ｋＰａ，在外通道流动．
    隔热片材料为０Ｃｒ１８Ｎｉ９，导热系数λｓｓ＝１５Ｗ／（ｍ·Ｋ）；选取平衡流质量流量ｑｍ＝１ｇ／ｓ、隔热片厚度δｓ与网片厚度δｐ均为０．２ｍｍ、换热器芯体长度Ｌ＝５００ｍｍ进行计算，基于改进数值计算方法和传统方法分别得到换热器内部温度场如图４和图５所示．由图可以看出：改进的数值方法由于引入隔热片导热系数，冷热通道的温度场呈细微的阶梯状，体现了网格换热器是由网片和隔热片错层叠置的“离散结构”本质［１］，且冷热流体入口均存在温度“突跳”［２］现象，间壁的温度场在热冷两端趋势突变平缓也说明了换热器受到轴向导热的影响；传统方法得出的温度场曲线光滑平直，没有体现出网格换热器的上述特点．图６为在不同流量（图６ａ）和不同换热器长度（图６ｂ）下采用改进与传统算法计算得出的换热器效率．由图可以看出：随着质量流量增大，两者计算结果差值变小，计算结果偏差为０．５％～１．０％；随着换热器长度增加，两者计算结果差值变小，计算结果偏差为０．７％～２．６％．综上，改进的换热器数值方法在模型描述和计算精度上都有所进步，且在较小流量及较短换热器长度情况下计算效果更加明显．
    

                
    取Ｌ＝５００ｍｍ，改变δｐ及δｓ／δｐ得到的换热器效率如图７所示．由图可以看出，在考虑隔热片的导热系数后，当δｐ＞０．２ｍｍ时，δｐ越小，越有利于充分利用换热器有效长度进行换热．在δｐ不变的条件下，提高δｓ／δｐ，换热器效率先增大，达到最大值后逐渐减小．在最优δｓ／δｐ时，起径向导热作用的网片及起到阻断轴向导热作用的隔热片达到最佳配合，换热器的尺寸得到最充分利用．表２给出了Ｌ＝５００ｍｍ时，换热器最优性能下的网片及隔热片结构参数及换热器热力性能参数．综上，当δｐ＝０．２ｍｍ及δｓ／δｐ＝４∶１时，相同长度下的换热器性能达到最优．
             

    ３·结　论
    本文对现有的间壁式低温换热器数值计算方法进行了改进，引入间壁厚度及隔热片导热系数的影响，对网格换热器进行了数值模拟；通过对不同厚度隔热片及网片所构成的换热器进行数值计算，得到了换热器性能、隔热片与网片尺寸的最优参数，以及如下结论．
    （１）本文在现有换热器数值计算方法的基础上，引入间壁厚度及隔热片导热系数，对间壁进行二维导热建模计算，可以精确地模拟网格换热器内部冷热通道及间壁冷热侧与中心的温度场．
    （２）通过与传统换热器数值计算方法结果对比，得出改进后的数值计算方法能更精确地模拟网格换热器内部传热特性，并能更贴合网格换热器“分离结构”的特性，在较小流量及较短换热器长度时计算效果更加明显．
    （３）通过模拟计算，得出隔热片与网片厚度的选取对换热器性能具有明显的影响，隔热片厚度在０．２ｍｍ以上时，隔热片厚度越小，越有利于充分利用换热器有效长度进行换热；当隔热片厚度为０．ｍｍ及网片与隔热片的厚度比为４∶１时，相同长度下的换热器性能达到最优．
    （４）本文研究的间壁式筛网网格换热器在低温换热区域具有优异的性能，液氮温区下的效率可达９８％以上．